미래창조과학부(장관 최양희)는 세계 최초로 미생물을 이용해 대표적 의료용 고분자인 폴리락테이트-co-글라이클레이트(poly(lactate-co-glycolate), PLGA)^*를 생산해냈다고 밝혔다.

    

이상엽 교수팀(KAIST)은 미래창조과학부 기후변화대응기술개발사업의 지원으로 연구를 수행하였으며, 생명공학 분야의 최고 권위지인 Nature Bio-technology 온라인 판에 8일 게재되었다.

   

기존 폴리락테이트-co-글라이콜레이트의 화학적 생산 공정은 여러 단계의 화학적 전환, 정제 등 복잡한 공정이 필요해 비효율적이었을 뿐만 아니라 유독성 금속 촉매가 사용되어 친환경적이지 못한 단점을 가지고 있었다. 

폐목재, 볏짚 등 재생가능한 자원인 바이오매스를 기반으로 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 생산하는 미생물(균주)을 개발하여, 기존 화학공정 대비 친환경적이면서 단순화된 공정이 가능해졌다.

또한 이번 연구에서 개발한 폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 균주를 기반으로 한 응용 기술로 다양한 목적성 고분자^* 생산이 가능해져 신규 바이오플라스틱 생산에 새로운 지평을 열었다. 

  

이상엽 교수는 “이번 연구는 의료용 고분자의 대표적 물질인 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 만드는 미생물을 개발한 세계 최초의 연구“라며 “인공고분자를 생물학적 방법으로 생산할 수 있는 시스템을 구축했다는 점에서 큰 의미를 가진다”고 말했다.

미래창조과학부는 이번 연구 결과는 자원고갈, 기후변화 등의 문제를 안고 있는 기존 석유 의존형 화학산업을 재생가능한 자원을 통해 지속성장이 가능한 바이오 의존형 화학산업으로 바꾸기 위한 바이오 리파이너리 분야의 의미있는 성과이며, 해당 분야 연구에 대해 지속적으로 지원할 계획이라고 밝혔다.

폴리락테이트-co-글라이콜레이트(poly(lactate-co-glycolate), PLGA)는 락테이트와 글라이콜레이트의 랜덤 공중합체로 대표적인 의료용 바이오 플라스틱 중 하나이다. 생분해성, 생체적합성, 구조적 안정성, 낮은 독성을 가지며, 몰 비에 따라 분해 속도가 1~6달 사이에서 조절이 가능하여, 약물 전달체, 임플란트 등으로 많이 사용되고 있다. 

현재 폴리락테이트-co-글라이콜레이트는 주로 미생물 발효로 얻어지는 락테이트와 석유 기반 화학 합성을 통해 얻어지는 글라이콜레이트의 준비 및 정제, 금속 촉매 하에서 이루어지는 고리 개환 중합(ring-opening polymerization) 반응 등 여러 공정 과정을 통해 생산되고 있다. 

이전 본 연구진에 의하여 비자연 고분자인 폴리락테이트 생산 미생물이 개발되었는데, 이에 더 나아가 폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 미생물 개발을 진행하였다. 

비자연 고분자인 폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 균주 개발은 다음의 과정을 통해 이루어졌다.

미생물의 폴리하이드록시알카노에이트 합성 대사회로에서 착안하여 단량체인 락테이트와 글라이콜레이트가 락틸코에이, 글라이콜릴 코에이로 전환 후 폴리락테이트-co-글라이콜레이트의 고분자로  중합될 수 있는지 타겟 효소들은 선정하여 활성을 확인하였다.

대장균은 자연적으로 글라이콜레이트를 만들어내지 않기 때문에  글라이콜레이트 생산 대사회로를 구축하기 위한 외래 유전자 도입 및 그로 인한 세포 대사흐름 변화를 대장균 게놈 수준의 인실리코 시뮬레이션을 통해 예측 및 분석하였다.

시뮬레이션을 토대로 논리적 유전자 조작을 통하여 세포 성장 및 락테이트와 글라이콜레이트로의 대사 흐름을 강화하여 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 최초로 생산하였으며, 추가적인 유전자 조작을 통하여 대사 흐름을 조절하여 여러 몰비를 가지는 폴리락테이트-co-글라이콜레이트를 생산하였다.

폴리락테이트-co-글라이콜레이트 생산 균주를 기반으로 3-하이드록시뷰트레이트, 4-하이드록시뷰트레이트, 2-하이드록시아이소발러레이트, 5-하이드록시발러레이트, 6-하이드록시헥사노에이트와 같은 다양한 단량체와의 공중합체를 시도하여 여러 가지 물성을 가지는 신규 바이오 플라스틱 생산하였다.

기존의 플라스틱 생산 공정을 친환경적이며 지속가능한 생산 공정으로 대체할 수 있다.

Nature Biotechnology: Nature Publishing Group에서 발간하는 생명공학 분야의 최고 권위저널지 (최신 영향력지수 41.514 - 2014년 기준)  

바이오 리파이너리 : 석유화학산업에서 원유의 정제를 통해 여러 가지 제품을 생산하는 것과 같이, 해조류나 비식용 생물자원과 같은 바이오매스(biomass)를 원료로 이용하여 여러 제품을 생산하고자 하는 개념

바이오매스 (biomass) : 수상·육상 생명체, 특히 광합성에 의하여 자라는 모든 유기성 물질, 예컨대 조류(藻類) 및 나무를 일컫는다. 최근에는 지속가능한 성장이라는 기조 하에 에너지 자원 및 산업소재 원료라는 산업용도에 의미의 초점이 모아져 있다. 바이오매스는 기후변화의 주범인 이산화탄소를 탄소원으로 이용하며, 에너지원으로 공짜인 태양빛을 활용하여 만들어지는 바, 진정한 의미의 지속가능 자원이라 할 수 있다. 태양광/풍력은 에너지로만 활용가능한 반면 바이오매스는 화학물질, 고분자 등을 만드는데도 사용된다. 

시스템 대사공학 (systems metabolic engineering) : 미생물을 이용한 바이오 리파이너리 공정의 최적화를 위한 기법으로서, 특정 화합물을 대량생산하기 위하여 미생물의 대사 (metabolism) 및 전반적인 생물공정을 최적화하는 것을 목표로 한다. 세포 기반의 각종 데이터를 통합하여 생리 상태를 다차원으로 규명하고, 이 정보를 바탕으로 맞춤형 대사조절을 함으로써 고효율 미생물 균주를 개발하는 기술이다. 시스템 대사공학을 활용할 경우, 미생물을 게놈수준에서 동시다발적으로 관찰 및 조작이 가능하여 미생물의 성능 개선을 위한 시간과  노력을 획기적으로 줄이고 그 활용 가능성을 극대화 할 수 있다. 

폴리하이드록시알카노에이트 (polyhydroxyalkanoate) : 일부 미생물이 질소, 인, 황 등과 같이 특정 영양분이 부족한 환경에 처할 시 잉여 탄소원을 세포 내에 에너지, 탄소원으로 축적시키는 메커니즘을 통해 생산되는 고분자로 석유 자원 유래 플라스틱을 대체할 바이오 플라스틱으로 주목받고 있다.   

대사흐름 (metabolic flux) : 세포 내 여러 대사회로들의 활성 정도를 나타낸다.

유가식 발효 (fed-batch fermentation) : 발효기 내에 존재하는 탄소원(예, 포도당)이 세포에 의해 거의 모두 소모된 후에도, 일정한 간격으로 탄소원을 추가적으로 발효기에 공급함으로써 발효기 내의 세포가 지속적으로 성장, 발효를 진행할 수 있도록 한다.

최초로 PLGA 생산 균주를 개발. PLGA 생산 균주 기반으로 3-하이드록시뷰트레이트, 4-하이드록시뷰트레이트 공중합체와 같은 신규 유용 바이오폴리머 최초 생산.

PLGA 생산 공정 대체 및 다양한 바이오 폴리머 생산 공정 

5년

실용화를 위한 과제는 

중, 장기 과제 수행

본 연구진은 이전 연구에서 대사공학과 단백질 개량을 결합한 시스템 대사공학 기법을 통해 비천연 고분자인 폴리락테이트 (polylactate)를 생산하는 균주를 개발하였다. 이러한 연구를 확장하여 유용 바이오플라스틱을 생산 플랫폼 균주를 개발하고자 연구를 진행하였다. 

개발 초기에는 매우 소량의 고분자만이 생산되어 추출 및 분석하기에 어려움이 많았는데, 추출한 샘플이 바람에 날아가 버린 경우도 있었다. 

균주 및 발효 최적화를 통한 대량생산기술 개발 및 산업화

문제를 해결하는 데에 있어, 새로운 아이디어와 지속적인 연구가 필수적이며, 특히 여러 동료들과의 협력이 원활하게 이루어질 때 큰 결과를 얻을 수 있다는 것을 깨달았다.